基于FPGA的可調(diào)諧激光器控制電路設(shè)計

孔市委，任乾鈺，王 軍，賈平崗

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051)

0 引言

隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展及其在各工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1-2]，光纖傳感在全球范圍內(nèi)得到了大量的關(guān)注，在工程應(yīng)用、學(xué)術(shù)研究等方面吸引著許多專家學(xué)者[3-4]。光纖光柵作為使用范圍最廣、使用頻率最高的一種光纖無源器件，具有抗干擾能力強、耐高溫、耐腐蝕、復(fù)用性強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)振動、應(yīng)變、溫度等物理量的測量，在光纖傳感領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[5-6]。在光纖光柵的大量應(yīng)用中光信號作為被測物理量的載體，其解調(diào)系統(tǒng)對調(diào)諧范圍寬、穩(wěn)定性好的窄線寬可調(diào)諧激光器需求越來越多[7]。可調(diào)諧激光器作為光譜分析、波分復(fù)用和光柵解調(diào)的核心器件，越來越受到廣泛的關(guān)注[8]。當(dāng)前，可調(diào)諧激光器主要有分布反饋式激光器(DFB,distributed feedback laser)和分布布拉格反射式激光器(DBR,distribute bragg reflector)。DFB激光器主要利用溫度和電流對波長進(jìn)行調(diào)諧，如果僅利用電流進(jìn)行調(diào)諧,其波長調(diào)諧范圍不足2 nm；若僅利用溫度進(jìn)行調(diào)諧，其調(diào)諧范圍大約有4 nm，但溫度調(diào)諧速度慢。DBR激光器內(nèi)部集成單個反射光柵，波長調(diào)諧范圍大約為8 nm，若要調(diào)諧更大的范圍，需多支不同波長范圍的激光器聯(lián)合工作。調(diào)制光柵Y分支(MG-Y,modulated grating Y-branch)激光器是DBR型可調(diào)諧激光器中的一種單片集成的半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器，具有調(diào)諧范圍廣、波長切換速度快、輸出功率高、穩(wěn)定性好等特點，是光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的理想光源[9-10]。用可調(diào)諧激光器進(jìn)行光柵解調(diào)時，由激光器發(fā)出可調(diào)諧窄線寬激光，遇到光纖布拉格光柵(FBG,fiber bragg grating)后反射回的光信號由光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號[11]，然后進(jìn)行解調(diào)。整個系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對可調(diào)諧激光器輸出波長的精確控制。

目前，市場上激光器的控制系統(tǒng)最多提供兩路電流，同時存在體積大、價格昂貴等問題。而MG-Y激光器需要5路電流同時輸入才能正常工作。文中針對MG-Y激光器，設(shè)計了一種以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA,field programmable gate array)為主控芯片的控制電路。該電路通過溫度控制芯片和MG-Y激光器內(nèi)部的半導(dǎo)體制冷器(TEC,thermo electric cooler)實現(xiàn)對激光器進(jìn)行恒溫控制。通過改變電流源的輸出電流控制MG-Y激光器的輸出波長，利用光譜分析儀標(biāo)定MG-Y激光器的輸出波長，然后制作“波長-電流”查詢表，實現(xiàn)了MG-Y激光器寬范圍、快速調(diào)諧，并對激光器的波長調(diào)諧特性進(jìn)行了測試。

1 MG-Y可調(diào)諧激光器工作原理

MG-Y激光器是一種電子調(diào)諧器件，可以實現(xiàn)C波段波長的調(diào)諧[12-13]，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。該激光器主要包含左右光柵區(qū)、多模干涉耦合器(MMI)、相位區(qū)、增益區(qū)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)[8]。MG-Y激光器的輸出波長由左右光柵區(qū)反射譜和相位區(qū)諧振條件共同控制。通過改變MG-Y激光器左右光柵區(qū)和相位區(qū)的電流，引發(fā)半導(dǎo)體材料自由載流子濃度的發(fā)生變化，從而改變半導(dǎo)體材料的有效折射率[14]。其中左右光柵區(qū)的采樣周期存在一定的差異，產(chǎn)生兩個不同梳狀的反射譜，利用左右光柵反射率疊加產(chǎn)生的游標(biāo)效應(yīng)[15-16]，耦合疊加后返回特定波長的反射峰，如圖1(b)所示。

圖1 MG-Y激光器

通過改變左右光柵區(qū)調(diào)諧電流的大小控制重合峰的位置，從而對激光器的輸出波長進(jìn)行較寬范圍的調(diào)諧，僅僅通過左右光柵區(qū)是無法實現(xiàn)整個C波段的調(diào)諧，再由相位區(qū)控制縱模移動實現(xiàn)波長微調(diào)，從而得到不同波長的輸出光。增益區(qū)和半導(dǎo)體光放大器主要控制激光器輸出的光功率，對激光器的調(diào)諧特性影響甚小。MMI是一種無源器件，不需要電流的輸入。

2 電路設(shè)計

為了保證激光器正常工作，需要對激光器進(jìn)行功率控制和波長控制，同時由于激光器對溫度極其敏感，因此也需對激光器進(jìn)行溫度控制，使溫度對其輸出波長的影響最小化。MG-Y激光器控制電路的設(shè)計原理如圖2所示，主要包括可調(diào)諧電流源控制電路、溫度控制電路等。選用Intel公司的Cyclone IV 系列FPGA芯片EP4CE10F17C8N作為核心控制器件。FPGA作為一種可編程的器件，內(nèi)部主要包含可編程邏輯塊、輸入輸出模塊和內(nèi)部互連資源等，具有引腳數(shù)目多、編程配置靈活、邏輯控制能力強、相較于ARM芯片功耗更低等優(yōu)點[17]。

圖2 MG-Y激光器控制電路示意圖

2.1 電流源控制電路

基于MG-Y激光器是一種電流驅(qū)動型器件，選用了一款14位9通道電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5113，輸出電流具有極高的穩(wěn)定性和精度(μA級)，工作時鐘頻率最高為25 MHz。該芯片9個輸出通道中每一路都含有一個獨立電流源，并且將多個通道并聯(lián)可以輸出更大范圍的電流。FPGA通過SPI通訊方式驅(qū)動MAX5113芯片，該芯片內(nèi)部的寄存器分為模式配置寄存器和輸出配置寄存器。地址01h-09h對應(yīng)著9個通道的模式配置寄存器，向模式寄存器中寫入相應(yīng)的指令便可控制各通道的工作模式。同時各通道均有一個獨立的輸出配置寄存器，它們對應(yīng)的地址為11h-19h,控制各通道輸出電流的大小。MAX5113各通道輸出電流的大小與其對應(yīng)的輸出配置寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的大小呈線性關(guān)系，其關(guān)系見式(1)：

I=IMAX×N/214

(1)

其中:IMAX各通道滿量程輸出電流，N為輸出配置寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的大小。

根據(jù)表1中MG-Y激光器的各路電流的需求和該芯片各通道輸出電流的范圍，選擇通道1、通道5、通道6、通道8和通道95個通道驅(qū)動激光器，它們最大分別輸出10 mA、180 mA、300 mA、35 mA和35 mA的電流，同時將其余通道的輸出配置寄存器置零。

表1 激光器參數(shù)要求和MAX5113引腳配置

圖3 ADN8834外圍電路示意圖

2.2 溫控電路

由于電流的輸入，在激光器工作時會產(chǎn)生自熱現(xiàn)象，導(dǎo)致激光器內(nèi)部管芯溫度發(fā)生變化。激光器管芯工作溫度的變化會直接影響激光器輸出波長和輸出光功率的穩(wěn)定性。較小的溫度上升，會造成激光器輸出光功率下降，同時導(dǎo)致輸出波長發(fā)生漂移。工作溫度過高或者長期工作在較高溫度下會造成激光器永久性損壞，所以需要為激光器提供一個安全的工作溫度[18]。MG-Y激光器內(nèi)部集成了半導(dǎo)體制冷器TEC和負(fù)溫度系數(shù)(NTC,negative temperature coefficient)熱敏電阻。熱敏電阻用來檢測激光器管芯的工作溫度；TEC用來維持激光器的管芯工作在恒定的溫度下，以最小化溫度對激光器輸出產(chǎn)生的影響。

TEC是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的一種能夠進(jìn)行加熱和制冷的器件，有冷端和熱端兩個工作面。當(dāng)直流電流在兩個端面導(dǎo)通時，其一端面加熱，另一端面制冷。當(dāng)直流電流的方向改變時，加熱和制冷面也會發(fā)生相應(yīng)的變化，所以加熱或制冷以及加熱或制冷的速率取決于流過TEC電流的大小和方向[19]。

如果使用分立的電路實現(xiàn)溫度的采樣放大以及TEC驅(qū)動，會造成電路調(diào)試?yán)щy，引入更多的噪聲等問題。現(xiàn)在針對半導(dǎo)體制冷器TEC的控制已經(jīng)集成了專用的溫度控制芯片，文中電路設(shè)計采用的是ADI公司的ADN8834溫度控制芯片，其主要集成了溫度檢測電路，誤差放大器、補償放大器、TEC限壓限流電路等，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性以及對溫度的控制效果。該芯片采用脈沖寬度調(diào)制(PWM,pulse width modulation)驅(qū)動和線性驅(qū)動相結(jié)合的驅(qū)動方式，減少輸出電流的紋波，精簡外圍電路，同時還提高了效率。該芯片通過控制TEC輸入電流的大小和方向來控制TEC的加熱和制冷。通過調(diào)整ILIM引腳的分壓電阻來限制流過TEC最大正、反向電流的大小，以起到保護(hù)TEC的作用。在TEC兩端電壓限制中，通過調(diào)節(jié)VLIM引腳上分壓電阻的大小，來控制TEC兩端的最大電壓。通過對最大工作電壓、電流的調(diào)整，以保證MG-Y激光器在安全狀態(tài)下，輸出穩(wěn)定的波長和功率。

溫度控制芯片ADN8834的外圍電路如圖3所示，其中VREF引腳輸出2.5 V、精度為1%的參考電壓。根據(jù)激光器內(nèi)部TEC的參數(shù)要求ITEC的最大值為0.85 A和VTEC的最大值為2.8 V，依照公式(2)(其中IS= 10 μA,IS_V= 40 μA)可計算出R2、R3、R4、R5分別為7.86 kΩ、10 kΩ、69.4 kΩ、32.9 kΩ。

(2)

通過設(shè)定IN2P引腳的電壓值來設(shè)定激光器管芯的工作溫度。激光器內(nèi)部的熱敏電阻串入分壓電路，熱敏電阻將檢測到的激光器管芯溫度轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓值，并與IN1P引腳上設(shè)置的電壓VREF/2共同輸入誤差放大電路，由OUT1引腳輸出一個與兩者之差成比例的偏差信號。OUT1、IN2P和OUT2共同接入由ADN8834芯片內(nèi)部的運算放大器與外圍電容電阻構(gòu)成的模擬比例積分微分(PID)控制電路。熱敏電阻的阻值實時反饋、PID補償電路、ADN8834內(nèi)部的脈沖寬度調(diào)制器與激光器內(nèi)部的半導(dǎo)體制冷器TEC形成對溫度的閉環(huán)控制，使MG-Y激光器工作溫度與設(shè)定溫度到達(dá)一致。

PID網(wǎng)絡(luò)是對激光器管芯進(jìn)行溫度控制的關(guān)鍵，直接影響整個溫控電路的響應(yīng)時間和控制精度。其數(shù)學(xué)模型為：

其中:Kp為比例系數(shù)，Ti為積分系數(shù)，Td為微分系數(shù)。Kp=R11/R8，Ti=R8×C2，Td與R11×C1有關(guān)。比例網(wǎng)絡(luò)主要控制系統(tǒng)的當(dāng)前偏差。若系統(tǒng)出現(xiàn)偏差信號e(t)，比例網(wǎng)絡(luò)立即發(fā)出信號，按一定比例調(diào)整偏差信號，使被控對象向偏差減小的方向變化。比例系數(shù)Kp的大小影響著控制能力的強弱。增大比例系數(shù)Kp會增加系統(tǒng)的靈敏度，但是比例系數(shù)過大會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分網(wǎng)絡(luò)具有記憶功能，其對偏差信號的控制需要時間的積累才會起作用，主要用于消除系統(tǒng)的累積偏差。由于需要時間的積累，所以積分網(wǎng)絡(luò)將影響整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。積分系數(shù)Ti過小，會導(dǎo)致系統(tǒng)消除偏差較慢，使系統(tǒng)穩(wěn)定時間加長。同時積分網(wǎng)絡(luò)的引入，會產(chǎn)生90°相位滯后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定的影響。微分網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測系統(tǒng)偏差的變化趨勢，在偏差信號變大之前，給系統(tǒng)引入一個修正信號，加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度，縮小調(diào)節(jié)時間。微分系數(shù)Td適當(dāng)?shù)脑龃髸s短系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。若微分系數(shù)Td過大，反而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分網(wǎng)絡(luò)的引入會產(chǎn)生一個超前的90°相移，減小系統(tǒng)相位的滯后，提高穩(wěn)定性。如果系統(tǒng)振蕩，可適當(dāng)?shù)販p小比例系數(shù)，再微調(diào)積分和微分系數(shù)，提高溫度控制的效率和 精度。

由于熱敏電阻和溫度并不是呈線性關(guān)系，在一定的溫度范圍內(nèi)，通常將熱敏電阻和電阻RX串聯(lián)在一起，提高熱敏電阻和溫度的線性度。文中所使用的MG-Y激光器內(nèi)部集成的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在25 ℃的溫度下阻值為10 kΩ，熱敏電阻材料系數(shù)β=3 930 K。熱敏電阻NTC的阻值與溫度的關(guān)系由公式(3)給出。根據(jù)TR=25 ℃，RNTC=10 kΩ，便可計算出熱敏電阻NTC在溫度T時的阻值RT，其中T和TR為開氏溫度。

(3)

設(shè)計中預(yù)使線性溫度區(qū)間在23～27 ℃，根據(jù)公式(3)可計算出熱敏電阻NTC在23 ℃、25 ℃、27 ℃時的阻值和RX的阻值分別為RL=10.93 kΩ、RM=10 kΩ、RH=9.16 kΩ、RX=7.36 kΩ。

為了保證MG-Y激光器的輸出波長能夠按照一定間隔連續(xù)輸出，制作“波長-電流”查詢表是必不可少的。預(yù)對激光器的波長進(jìn)行調(diào)諧控制，先要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)測試、處理和標(biāo)定。通過控制調(diào)諧區(qū)電流的大小，用光譜分析儀標(biāo)定激光器的輸出波長，獲得波長和各電流工作點的對應(yīng)關(guān)系，制作“波長-電流”查詢表。通過此查詢表得到激光器調(diào)諧區(qū)電流的工作點，從而控制激光器輸出期望的波長。光譜分析儀選用橫河AQ6374光譜分析儀，其是一款動態(tài)范圍大、分辨率高的臺式光譜分析儀，能精準(zhǔn)測量激光器光譜，波長范圍在350～1 750 nm之間，采樣分辨率可達(dá)2 pm，可以分析諸如半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等光學(xué)器件的波長成分。

MG-Y激光器存在同一輸出波長對應(yīng)著不同調(diào)諧區(qū)電流組合的情況。為了使激光器工作穩(wěn)定，需要對初次得到的“波長-電流”查詢表中的波長進(jìn)行篩選，我們選擇遠(yuǎn)離波長容易發(fā)生跳變的電流工作點，同時刪除邊模抑制比小于30 dBm的電流工作點。對于不同的電流組合對應(yīng)的同一波長點，選擇邊模抑制比較大的電流組合作為調(diào)諧區(qū)的電流工作點。最后將得到的波長和電流對應(yīng)關(guān)系表按照波長進(jìn)行排序，建立最終的“波長-電流”查詢表。將“波長-電流”查詢表燒寫在FPGA的RAM中，F(xiàn)PGA按照地址讀取RAM中的數(shù)據(jù)，然后寫進(jìn)MAX5113芯片對應(yīng)的寄存器中，MAX5113輸出相對應(yīng)的電流,從而控制激光器輸出預(yù)期波長。

3 性能測試

3.1 電流源控制電路試驗測試

對電流源芯片MAX5113各通道輸出電流進(jìn)行測試，各通道輸出配置寄存器中的數(shù)據(jù)以500的間隔增加，利用6位半的高精度數(shù)字萬用表測量各通道的輸出電流，并將實測電流和理論電流相比較，OP1和 OP9的比較結(jié)果如圖4所示。

圖4 MAX5113輸出電流測試測試

為了提高輸出電流的準(zhǔn)確性，同時通道1控制激光器波長的微調(diào)，以通道1為例，利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次擬合:

i=0.999I-0.0653

擬合后誤差的平方和為0.007 8，選取10組電流與修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，修正后輸出電流誤差在3 μA以內(nèi)，滿足2 pm波長調(diào)諧的要求。

3.2 激光器性能測試

為了驗證MG-Y激光器輸出波長穩(wěn)定性好的特點，利用光譜分析儀對其波長穩(wěn)定性進(jìn)行測試。在1 527～1 567 nm范圍內(nèi)選取5個波長點(1 530.282 nm、1 536.652 nm、1 544.408 nm、1 549.992 nm、1 561.410 nm)進(jìn)行測試。選取某一波長后，每隔2 min采集一次波長，測試結(jié)果如圖5所示。測試中MG-Y激光器在20 min內(nèi)，波長最多漂移2 pm，甚至穩(wěn)定在同一波長。表明電流源能夠輸出穩(wěn)定的電流以及溫控電路能對激光器管芯溫度進(jìn)行精確地控制。

圖5 波長穩(wěn)定性測試

為了測試MG-Y激光器調(diào)諧范圍廣，適用于光纖光柵解調(diào)的特點。根據(jù)光纖布拉格光柵的工作原理：當(dāng)光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過光纖光柵時，在光柵處滿足光纖光柵布拉格條件的波長將發(fā)生反射，反射回一段波長范圍的窄帶光，其余波長的光將會發(fā)生透射。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光纖光柵的中心波長會發(fā)生漂移，可以根據(jù)漂移量的大小來測量外界物理量的變化。搭建如圖6(a)所示的測試系統(tǒng)，MG-Y激光器發(fā)射的光束通過1×2耦合器遇到光柵時會反射回一小段窄帶光，光電探測器接收到反射回的窄帶光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出的電信號由示波器顯示。光電探測器選用New Fcous公司生產(chǎn)的可調(diào)光電探測器Model 2053，其帶寬為10 MHz，能接收900～1 700 nm波長范圍內(nèi)的光。

選用一個中心波長在1 550 nm附近的光纖光柵進(jìn)行測試，用美國微光光學(xué)(MOI)公司生產(chǎn)的SM125光纖光柵解調(diào)儀測試其光譜，SM125光纖光柵解調(diào)儀的波長掃描范圍為1 510～1 590 nm，其掃描間隔為5 pm，采集其1 527～1 567 nm波長范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。利用示波器采集MG-Y激光器掃描一個周期光纖光柵反射光譜的數(shù)據(jù)。將其和SM125光纖光柵解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)繪制成曲線，見圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出圖6(a)系統(tǒng)所測結(jié)果與SM125光纖光柵解調(diào)儀測得的光纖光柵中心波長幾乎一致。

用加熱臺給光纖光柵提供不同的外界溫度，由于熱膨脹和熱光效應(yīng)，光纖光柵的中心波長會隨溫度的變化而改變，這也是光纖光柵可以對溫度進(jìn)行測量的關(guān)鍵。光纖光柵中心波長的改變導(dǎo)致其反射譜發(fā)生一定的漂移，利用示波器對不同溫度下光纖光柵的反射譜進(jìn)行采集，并把光柵的中心波長與溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合，見圖6(c)所示。結(jié)果表明當(dāng)溫度升高時，光纖光柵的中心波長會向波長增大的方向漂移。

圖6 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

在明確MG-Y激光器的調(diào)諧特性后，確定了激光器控制系統(tǒng)的整體方案。設(shè)計了一種基于FPGA的MG-Y激光器控制電路，實現(xiàn)了激光器在1 527～1 567 nm波長范圍內(nèi)的波長輸出。利用溫度控制芯片ADN8834對激光器的管芯進(jìn)行溫度控制，通過FPGA控制高分辨率的電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5113，實現(xiàn)可調(diào)諧激光器波長穩(wěn)定輸出，并對輸出波長的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。根據(jù)MG-Y型激光器的調(diào)諧原理，制作了激光器的“波長-電流”查詢表，F(xiàn)PGA通過調(diào)用此查詢表，快速實現(xiàn)對MG-Y激光器波長的精確控制，并以20pm的間隔連續(xù)線性掃描。若要獲得更小的掃描間隔，可以通過對相位區(qū)插值的方式獲得。同時使用單芯片完成5路電流的輸出，大大節(jié)省了電路板的面積以及整個系統(tǒng)的功耗，更有利于小型化。根據(jù)光纖光柵的傳感原理，搭建光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，對利用可調(diào)諧激光器解調(diào)光纖光柵中心波長的可行性進(jìn)行了驗證。